实验:用双缝干涉测量光的波长

官方物理老师·22 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·2 天前
波动光学干涉实验定量测量误差分析

用双缝干涉测量光的波长

看完你能从光程差推导波长公式并量化分析实验误差与边界

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波动光学干涉实验定量测量误差分析

用双缝干涉测量光的波长

看完你能从光程差推导波长公式并量化分析实验误差与边界

1第 1 页 · 用双缝干涉测量光的波长

从泊松亮斑到双缝干涉

牛顿说光是粒子,惠更斯说光是波。两百年争论谁也说服不了谁,直到1818年一个反直觉的「亮斑」突然出现——这场世纪之争才真正尘埃落定。

牛顿的粒子说
光由微小粒子组成,沿直线传播,能解释反射与折射
惠更斯的波动说
光是纵波,靠以太传播,能解释部分干涉和衍射现象
泊松亮斑的逆转
泊松本想推翻波动说,却算出圆盘后方必有亮斑,实验果真出现
杨氏双缝的判决
两束相干光相叠出现明暗条纹,粒子说无法解释,波动说获胜
波粒之争未终结
波动说胜出只是阶段胜利,光电效应让粒子说百年后卷土重来
两人为水是什么吵架对应 →牛顿与惠更斯之争

一个说水是小冰块,一个说水是流动波纹,谁也没法说服对方

2第 2 页 · 从泊松亮斑到双缝干涉

什么是光的干涉

上一页我们聊到,光绕过障碍物后会'自己跟自己打架'——泊松亮斑就是证据。那这场'打架'遵循什么规则?这就是干涉。

相干条件
同频率、同振动方向、相位差恒定——光能干涉的苛刻前提
相干光源
需从同一束光分出两束(如双缝),两盏独立灯不行
加强亮纹
波峰叠波峰或波谷叠波谷,光强叠加形成亮条纹
抵消暗纹
波峰遇波谷,光强相互抵消形成暗条纹
池塘两列水波对应 →两束相干光

水波峰谷叠加规则与光波加强、抵消一一对应

3第 3 页 · 什么是光的干涉

双缝干涉的物理图像

图示杨氏实验从光源到条纹的物理路径,下方虚线节点补充单光子视角下的现代诠释

图解渲染中…
b1单缝将点光源转化为空间相干的线光源g1量子视角:每个光子的波函数同时穿过两缝f1经典图像与量子统计都得到同样的明暗条纹
4第 4 页 · 双缝干涉的物理图像

光源—单缝—双缝—屏

上页画出了双缝干涉的物理图像——两束相干光相遇在屏上画出条纹。但要把它变成真的实验,还需要把四个元件排成一排:光源、单缝、双缝、屏。每个元件各管一段,缺一不可。

光源
提供波长稳定的单色光,钠灯或激光器
单缝
把面光源压缩成线光源,保证双缝被相干光照亮
双缝
间距为 d,作为两条相干次波源
距双缝 L 处,测相邻条纹间距 Δx
厨房备菜流程对应 →双缝干涉光路

食材(光源)→切丝(单缝)→双锅同炒(双缝)→摆盘(屏)

Δx=λLd\Delta x = \dfrac{\lambda L}{d}
5第 5 页 · 光源—单缝—双缝—屏

双缝间距 d

上一页我们画出了完整光路。现在把镜头推到双缝本身——那两个开口中心之间隔着多远?这个距离,就是干涉条纹公式 Δx=λL/d 里的 d。

定义
两条狭缝中心到中心的距离,不是缝宽,也不是缝缘到缝缘
数量级
0.1~0.2 mm,比一根头发丝还细
测量方法
用读数显微镜量多条缝的总间距,再除以缝数减一取平均
对条纹的影响
d 越小,相邻亮纹间距 Δx 越大,越容易测量
两只耳朵的中心距离对应 →双缝间距 d

都是两个对象的中心到中心,不是边缘到边缘

Δx=λLd\Delta x = \dfrac{\lambda L}{d}
6第 6 页 · 双缝间距 d

双缝到屏距离 l

上一页明确了双缝间距 d 极小——通常不到一毫米。但光从双缝出发还要飞一段才能落到屏上,这段距离就是 l。

几何定义
双缝所在平面到光屏的垂直距离,与 d 和屏都正交
典型量级
实验室约 1 到 3 米,比 d 大三到四个数量级
决定条纹间距
Δx = λl/d,l 越大相邻明纹间距越宽
尽量取大
条纹越宽,测 Δx 绝对误差越小,波长结果越准
投影仪到幕布对应 →双缝到屏

投影仪离幕布越远画面越大;l 越大条纹越宽

Δx=lλd\Delta x = \dfrac{l\lambda}{d}
7第 7 页 · 双缝到屏距离 l

光程差的计算

从双缝到屏上一点的几何关系,逐步推出光程差表达式。

1
设路径 r1、r2
屏上任取一点 P,到 S1、S2 的距离分别记为 r1、r2
2
作辅助垂线
从 S1 向 S2P 作垂线,远场 l≫d 时折线差等价于直线差
3
几何差 d·sinθ
三角形 S1S2P 中,r2−r1 = d·sinθ
4
小角近似
l≫y 时 sinθ ≈ tanθ ≈ y/l
5
得到光程差
δ = d·sinθ ≈ dy/l,是后续明暗纹的判据
8第 8 页 · 光程差的计算

明纹与暗纹条件

上一页我们得到了光程差 Δ = d·sinθ ≈ d·x/l。Δ 取什么值时两列波加强、什么值时抵消——这就是明暗纹条件要回答的问题。

明纹条件
Δ = kλ 时两列波同相叠加,屏上出现亮纹
暗纹条件
Δ = (2k+1)λ/2 时两列波反相抵消,屏上出现暗纹
k 的取值
k = 0, ±1, ±2…,k=0 对应中央零级明纹
屏上位置
x_k = kλl/d(明纹)、(2k+1)λl/2d(暗纹)
两列水波相遇对应 →两束相干光叠加

波峰对波峰振幅叠加(明纹),波峰对波谷相互抵消(暗纹)

Δ=kλ, k=0,±1,±2,  (明纹);Δ=(2k+1)λ2, k=0,±1,±2,  (暗纹)\Delta = k\lambda,\ k=0,\pm1,\pm2,\ldots\;\text{(明纹)};\quad \Delta = (2k+1)\tfrac{\lambda}{2},\ k=0,\pm1,\pm2,\ldots\;\text{(暗纹)}
9第 9 页 · 明纹与暗纹条件

条纹间距 Δx 的几何含义

从屏上两条明纹出发,沿「角度→位置→明纹条件」的顺序,看清 Δx 如何被定义并求出。

图解渲染中…
a1屏上两条明纹中心,级次相差 1d1Δx 即本实验要测的条纹间距f1测出 Δx 即可反求波长 λ
10第 10 页 · 条纹间距 Δx 的几何含义

公式推导完整过程

把干涉条件和几何关系拼在一起,逐步化简出条纹间距公式。

1
明纹条件
光程差等于整数倍波长:δ = d sinθ = kλ
2
小角近似
θ 很小时 sinθ ≈ tanθ = x/l
3
屏上位置
代入得第 k 条明纹坐标 x_k = kλl/d
4
作差求间距
相邻明纹相减,k 消掉:Δx = λl/d
11第 11 页 · 公式推导完整过程

三量关系的直观理解

三个量各动一下,看 Δx 跟着怎么变。

图解渲染中…
a3缝距 d 是唯一与 Δx 反方向的量
12第 12 页 · 三量关系的直观理解

测量步骤详解

从装好元件到算出波长,五步流程缺一不可。

1
调共轴等高
光具座上依次放光源、单缝、双缝、屏,调至中心等高共轴
2
调出清晰条纹
微调双缝位置与单缝宽度,直到屏上出现等间距、明暗分明的条纹
3
测 l 与 d
用刻度尺量双缝到屏距离 l,用测微装置量出双缝间距 d
4
多次读 Δx
读出多条亮纹位置,用位置差除以条数得 Δx,减小读数误差
5
代入求波长
由 Δx = λl/d 变形得 λ = dΔx/l,多组数据取平均
13第 13 页 · 测量步骤详解

游标卡尺与螺旋测微器的读数

测量时,l 用米尺读到毫米位就够。但 Δx 通常不到 1 毫米——必须请出两种「会读小数」的精密仪器:游标卡尺和螺旋测微器。

游标卡尺精度
分度值=主尺分度/游标格数,10/20/50分度对应0.1/0.05/0.02mm
螺旋测微器精度
固定刻度读mm与0.5mm,可动刻度每格0.01mm
估读规则
无论哪种仪器,都要估读到最小分度的十分之一
零误差修正
测量前合拢读零位,最终值减去零误差
两根刻度不同的尺子并排比对对应 →游标卡尺对齐原理

主尺读整数,对齐线读小数,把小差距放大成可判断

14第 14 页 · 游标卡尺与螺旋测微器的读数

数据记录表示例

python

用元组 (k, x_k) 形式记录 7 条明纹位置,并对比逐差法与 polyfit 两种求 Δx 的方法。

代码高亮加载中…

data 列表每一项元组 (k, x_k) 就是通用记录格式——k 从 1 起代表第几级明纹,x_k 读到游标卡尺最小分度 0.01 mm;逐差法与 polyfit 都直接给出 Δx,后者用最小二乘压住单点对中误差。

15第 15 页 · 数据记录表示例

为什么测一条条纹不够

前页已经会把相邻亮纹中心的位置差当作 Δx。但一次只读一个条纹位置,刻线宽度、视差和轻微抖动造成的误差,几乎能吞掉整个 Δx,因此换算出的 λ 通常只能说明数量级,难以作为可靠结果。

单次定位误差
刻线有宽度,人眼还受视差和轻微抖动影响,亮纹中心不可能无限精确。
误差同量级
若单次定位不确定度 δx 与 Δx 同量级,则一个间隔的相对误差约为 1,甚至更大。
误差直接传递
λ 与 Δx 成正比,条纹间距的相对不确定度会近似一比一传给波长。
多纹间隔取平均
假定定位误差相互独立,测第 m 与 m+N 条纹,随机定位误差约缩小 N 倍。
系统误差仍在
多纹平均只削弱随机误差,零点、视差以及 d、l 的误差仍会保留。
用尺量一次长度对应 →测一个条纹间隔

尺子的一次读数受最小刻度限制;多跨几个条纹,定位随机误差才会被摊薄。

δλλδ(Δx)Δx,Δx=xm+NxmN,δ(Δx)2δxN\frac{\delta\lambda}{\lambda}\approx\frac{\delta(\Delta x)}{\Delta x},\quad \Delta x=\frac{x_{m+N}-x_m}{N},\quad \delta(\Delta x)\approx\frac{\sqrt{2}\,\delta x}{N}
16第 16 页 · 为什么测一条条纹不够

利用多条条纹减小误差

从两次位置读数出发,看 Δx 的误差如何随 n 缩小。

图解渲染中…
c1δ 为游标卡尺或螺旋测微器的最小分度d1n 为所跨条纹间隔数,如从第1到第6条则 n=5
17第 17 页 · 利用多条条纹减小误差

系统误差 vs 偶然误差

两种误差来源不同、对策也不同,混在一起会让实验越做越糊涂。

系统误差
  • 来源:仪器本身的精度限制
  • 方向:恒定偏向一边(总偏大或总偏小)
  • 对策:需校准/修正,多次测量无效
偶然误差
  • 来源:读数波动、操作微小差异
  • 方向:忽大忽小,正负随机出现
  • 对策:多次测量取平均可减小
仪器偏差靠校准,操作波动靠平均——治法不同,绝不能混为一谈。
18第 18 页 · 系统误差 vs 偶然误差

测量误差自测

点击作答

在双缝干涉测光波长的实验中,为让测得的条纹间距 Δx 更接近真实值,下列哪种做法最有效?

19第 19 页 · 测量误差自测

公式体系回顾

  • 远场条件:l ≫ d²/λ 且 sinθ ≈ tanθ
  • 入射光倾斜时条纹整体平移,间距公式不变
  • 公式隐含:单色光、双缝等宽平行、缝间距远小于缝屏距
  • 单缝衍射包络调制干涉条纹,亮纹强度受限
  • l、d 是系统误差源,Δx 测量是偶然误差主项
延伸主题:相干长度与光源线宽单缝衍射包络的调制分光计与精密测角法
20第 20 页 · 公式体系回顾

测量方案优化思路

  • Δx = λl/d:d 小 l 大,条纹间距越大越易测
  • d 过小则衍射主导,条纹对比度下降
  • l 过长则光强衰减,装置与像差受限
  • 测 m 条跨度取平均,比单条条纹更准
  • 系统误差靠结构对消,偶然误差靠多次平均
延伸主题:光栅光谱仪的精度极限干涉法测薄膜厚度白光干涉与相干长度
21第 21 页 · 测量方案优化思路

课后思考

先合上书自己想想,再看参考答案——好问题值得琢磨一会儿。

1为什么相邻明纹间距公式是 Δx = λl/d?相邻明纹的光程差相差几个波长?

参考答案相邻明纹光程差恰好差一个波长(kλ 与 (k+1)λ),代入几何关系即得 Δx = λl/d。可见要测 λ,d、l、Δx 三者都得测准,缺一不可。

2只有白光源与红色滤光片时,怎么用双缝装置测出红光波长?常见系统误差会让结果偏大还是偏小?

参考答案用滤光片选出红光,再按 Δx = λl/d 测条纹间距。常见误差:l 偏大、d 偏小、滤光片带宽使条纹模糊、只测一条没取平均。减小 l 或增大 d 可让条纹变密。

3把双缝换成两个小圆孔,干涉条纹还会出现吗?什么条件下能看到,什么条件下看不到?

参考答案圆孔也是相干光源,理论上同样能干涉。但圆孔衍射会调制条纹——只在两衍射包络重叠区才能看清。若孔距远大于波长,衍射角小,条纹过密难以分辨。

22第 22 页 · 课后思考